近日，松山湖材料實(shí)驗(yàn)室研究員元冰團(tuán)隊(duì)與蘇州大學(xué)教授楊愷團(tuán)隊(duì)合作，在復(fù)雜膠體自組裝逆向設(shè)計(jì)領(lǐng)域取得重大突破，開(kāi)發(fā)出基于機(jī)器學(xué)習(xí)的模塊化逆向設(shè)計(jì)策略，成功破解“設(shè)計(jì)密碼”。相關(guān)成果發(fā)表于《ACS納米》。
自組裝作為自然界構(gòu)建復(fù)雜結(jié)構(gòu)的基本法則，為功能材料開(kāi)發(fā)提供強(qiáng)大助力。但如何精準(zhǔn)設(shè)計(jì)構(gòu)筑單元（如補(bǔ)丁粒子），實(shí)現(xiàn)“逆向設(shè)計(jì)”以自發(fā)組裝成預(yù)設(shè)復(fù)雜結(jié)構(gòu)，一直是材料科學(xué)與物理學(xué)領(lǐng)域的難題。尤其在高維設(shè)計(jì)參數(shù)空間中，傳統(tǒng)試錯(cuò)法效率低、成本高。
兩步法模塊化策略的設(shè)計(jì)過(guò)程示例。研究團(tuán)隊(duì)供圖，下同
為此，研究團(tuán)隊(duì)提出的基于機(jī)器學(xué)習(xí)的模塊化逆向設(shè)計(jì)策略，巧妙將高維設(shè)計(jì)問(wèn)題降維。在目標(biāo)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)里，僅用單一組分補(bǔ)丁粒子，就高效、精準(zhǔn)實(shí)現(xiàn)了多種阿基米德鑲嵌等復(fù)雜超晶格結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)。此策略大幅降低計(jì)算成本，獲得更精簡(jiǎn)設(shè)計(jì)方案，為功能材料按需定制開(kāi)辟新路徑。
面對(duì)補(bǔ)丁粒子設(shè)計(jì)中“補(bǔ)丁位置”和“結(jié)合強(qiáng)度”等參數(shù)耦合帶來(lái)的高維復(fù)雜性，團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新推出“兩步走”模塊化逆向設(shè)計(jì)方案。第一步，基于遺傳算法的“反向演化”高效篩選補(bǔ)丁位置。以目標(biāo)結(jié)構(gòu)為“初始態(tài)”，通過(guò)計(jì)算成本低的反向演化模擬評(píng)估其穩(wěn)定性，結(jié)合遺傳算法全局搜索能力，在龐大離散參數(shù)空間迅速收斂，確定最優(yōu)補(bǔ)丁布局。第二步，基于貝葉斯優(yōu)化的“正向演化”精準(zhǔn)調(diào)節(jié)結(jié)合強(qiáng)度。確定補(bǔ)丁位置后，參數(shù)空間維度降低，再利用貝葉斯優(yōu)化算法對(duì)補(bǔ)丁間結(jié)合強(qiáng)度這一連續(xù)參數(shù)精細(xì)調(diào)節(jié)，以最少模擬次數(shù)找到最優(yōu)解，確保設(shè)計(jì)方案在真實(shí)自組裝中的可行性。
兩步法模塊化逆向設(shè)計(jì)策略示意圖。
該策略優(yōu)勢(shì)顯著，不僅能發(fā)現(xiàn)隱藏在復(fù)雜性背后的簡(jiǎn)潔規(guī)律。以經(jīng)典{3,3,3,4,4}阿基米德鑲嵌為例，傳統(tǒng)認(rèn)為每個(gè)粒子至少需5個(gè)補(bǔ)丁構(gòu)筑，而團(tuán)隊(duì)運(yùn)用新策略發(fā)現(xiàn)，僅需3個(gè)補(bǔ)丁的極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)，通過(guò)巧妙利用非補(bǔ)丁區(qū)域接觸作用，就能實(shí)現(xiàn)目標(biāo)結(jié)構(gòu)自組裝。這表明機(jī)器學(xué)習(xí)輔助的非偏見(jiàn)性搜索，可有效探索傳統(tǒng)方法忽略的設(shè)計(jì)空間，找到更高效、易實(shí)驗(yàn)實(shí)現(xiàn)的解決方案。與現(xiàn)有方法相比，該策略在探索設(shè)計(jì)空間方面魯棒性更強(qiáng)，能發(fā)現(xiàn)不同自組裝路徑并獲得性能更優(yōu)結(jié)構(gòu)，還成功推廣到更復(fù)雜的非阿基米德鑲嵌等結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，普適性卓越。
該研究工作整合遺傳算法與貝葉斯優(yōu)化，建立高效、穩(wěn)健的補(bǔ)丁粒子模塊化逆向設(shè)計(jì)框架，如同在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行“定向演化”，能根據(jù)預(yù)設(shè)目標(biāo)結(jié)構(gòu)自動(dòng)推導(dǎo)出構(gòu)筑單元微觀“設(shè)計(jì)密碼”。
{3, 3, 3, 4, 4}阿基米德鑲嵌的極簡(jiǎn)設(shè)計(jì)。
“該研究為膠體科學(xué)、軟物質(zhì)物理等領(lǐng)域提供強(qiáng)大理論設(shè)計(jì)工具，也為光子晶體、催化劑載體和低摩擦涂層等先進(jìn)功能材料開(kāi)發(fā)指明方向。”該論文第一作者、松山湖材料實(shí)驗(yàn)室聯(lián)培博士生許一唯稱，隨著DNA折紙等實(shí)驗(yàn)技術(shù)進(jìn)步，將in silico設(shè)計(jì)方案轉(zhuǎn)化為高性能實(shí)體材料指日可待，材料“按需定制”時(shí)代正加速來(lái)臨。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1021/acsnano.5c10787
本文鏈接：新研究破解復(fù)雜膠體自組裝的“設(shè)計(jì)密碼”http://www.sq15.cn/show-11-27403-0.html
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